依照巡检系统设计的思路，自主巡检系统应具备后台监控处理、实时信息传输、现场信息采集的功能。

系统硬件设计进行如下考虑：

在系统硬件的设计中，尽可能将大量的数据计算交由计算能力突出的监控中心进行处理，从而减轻机器人本体的算力负荷，这样可以使得机器人拥有更好的续航能力、更高的稳定性以及更优的经济性。

5G凭借大带宽、低时延、高可靠性、海量连接等技术特性以及在网络架构上的灵活性，高度契合工业场景专网的需求[9]。目前的电厂巡检机器人多以WiFi作为信息传输的媒介。相比传统专网如WiFi-6接入技术，5G主要优势体现在良好的网络覆盖性、双向认证的安全性、更快的速度和更低的延时抖动、移动业务的连续性等方面。本课题采用5G通信进行数据传输，5G数据传输高速率、低时延的极大优势，将为机器人接受监控中心的指令，并将采集到的信息回传至监控中心提供有力的保障。

监控中心对巡检信息进行分析处理，在降低机器人本体算力负荷的同时，还为监控中心记录历史巡检信息提供了便利。综合分析历史巡检信息，有利于评估一段时间内设备的运行状态，为专业人员全面掌握设备的运行状态提供可靠的依据。

巡检作业不仅需要采集设备的图像信息，还需关注设备和环境的温度信息，因此机器人可装备热成像双光谱相机，使其同时具备红外与可见光信息的采集能力。

此外，在现有定位与地图构建技术中，激光SLAM（Simultaneous Localization And Mapping，定位与同步建图）技术更加成熟，不仅能够建立直观、高精度地图，并且拥有更高的可靠性[10]。

根据以上分析，可设计出自主巡检系统的硬件结构。系统硬件部分可分为5个层次，如图1所示。从上至下分别为应用层、通信层、控制层、执行层和感知层。

图  1  巡检系统硬件结构

Figure 1.  Hardware structure of patrol inspection system

应用层对应监控中心，负责巡检任务的部署以及巡检信息的分析处理，为巡检系统的最高层级；通信层对应5G通信平台，保证巡检任务的快速下发和采集信息的实时回传；控制层、执行层和感知层共同组成机器人系统，为巡检任务的顺利执行提供保障。控制层由工控机构成，负责将接收到的任务信息进一步细化，得到机器人的巡检路径；执行层由运动底盘和底盘驱动构成，保证机器人能够快速响应控制层的指令；感知层由激光雷达、陀螺仪、声波传感器组成，负责自身状态的检测和环境信息的识别，保证运行过程的可靠性。

系统硬件结构设计完成后，对照巡检系统设计思路，仍有两点需要完善，分别是机器人自主充电和远方与就地人员实时沟通的问题。

自主充电功能及其稳定性指标是衡量机器人是否实现自主工作的重要参数[11]。本套巡检系统的充电桩结构如图2所示，充电桩对接口安装有可前后伸缩的弹簧装置，同时两电极片可左右摆动，为自主充电提供更大的误差容忍度。

图  2  充电桩

Figure 2.  Charging pile

为保障自主充电能够顺利进行，将自主充电功能集合至机器人导航定位中，机器人亏电时可自主运动至充电点，如图3所示。机器人底盘后端的充电电极与充电桩电极对接成功后，完成充电任务。

图  3  充电对接

Figure 3.  Charging connection

设备检修需要远方操作人员与就地人员之间进行有效的沟通，因此巡检系统上还设置有拾音器和扩音器，保障了远方与就地操作人员之间交互性的同时，还能够将巡检任务点的设备声音实时无失真上传监控中心，用于后台分析与展示。

以上为系统硬件设计方案，图4展示了巡检机器人的全貌。

图  4  巡检机器人实物图

Figure 4.  Picture of patrol inspection robot

巡检系统硬件设计完成后，由软件进一步整合系统的各项功能，提供一个友好直观、操作方便的人机交互平台。

依据巡检系统硬件设计和巡检任务需求，软件系统可分为6个方面，包含建图、任务部署、巡检、信息处理、机器人系统、用户设置。图5展示了巡检系统软件的结构关系以及各自的子项功能。交互平台的建立，使得厂区工作人员在巡检系统监控中心就可以直观地了解厂区机器人的实时位置、工作与空闲的机器人数量、每台机器人的巡检场域和巡检点位以及设备异常警告等信息。

图  5  巡检系统软件组成

Figure 5.  Composition of patrol inspection system software

除此之外，我们将手机、操作手柄与机器人结合在一起，称之为“Robot Pilot”。这一举措改变了目前需要工作人员采用笔记本电脑跟随其后的操作方式，使得任务部署可以轻松进行，如图6所示。从图中可以看到，“Robot Pilot”主界面由地图、可见光视频、红外视频三者构成，并且可以在三者中任意切换。右下角为任务部署工具栏，包含了建图、任务点标记、区域规划等一系列部署工具。“Robot Pilot”类似于无人机的操纵方式，大幅度提升了人机交互平台的易用性。

图  6  Robot Pilot

Figure 6.  Robot Pilot